CN102495331B - 基于柱上分界开关智能终端的单相接地故障判别方法 - Google Patents

Abstract

基于柱上分界开关智能终端的单相接地故障判别方法，通过采集中性点经消弧线圈接地系统的母线三相电压及本线路零序电流，计算出零序电压，经内置模糊数据窗图形拟合算法的电子式滤波器对零序电压及零序电流的波形进行模糊拟合后转化为数字量存储，再通过故障判定模块进行故障判定。本发明可精确采样接地故障发生瞬间消弧线圈投入5ms内的故障特征量，该故障特征量可明显区分故障发生瞬间故障线路和非故障线路的零序电流相位，同时，故障判定模块以功率方向及消弧线圈投入参数变化为组合判据，可准确判断故障线路，正确率达到100％，保证了在本线路发生故障时，柱上分界开关可准确跳闸隔离故障，确保同线路其他支路安全稳定运行。

Description

基于柱上分界开关智能终端的单相接地故障判别方法

技术领域

本发明涉及电力系统及其自动化技术领域，特别是一种基于柱上分界开关智能终端的中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障判别方法。

背景技术

柱上分界开关是近些年来随着我国配电网自动化技术的发展产生的新项目，该设备可以在支路发生短路故障时抢在变电站10kV出线跳闸前优先跳闸隔离故障，从而保证了同一条线路的无故障分支安全运行，是配电网自动化体系很重要的一环。目前，现有的柱上分界开关智能终端对于中性点不接地系统以及中性点经小电阻接地系统单相接地故障的判断相对较为准确，但对于中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障的判断还存在问题，由于在中性点经消弧线圈接地系统中，过补偿时，单相接地故障稳态零序电流的方向对于故障线路和非故障线路是相同的，给故障线路的甄别带来困难，致使故障判断的准确率偏低。目前对中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障的判断主要有两种方式：

1.给消弧线圈并接电阻，以改变发生单相接地故障时线路的零序电流，通过检测零序电流来判断接地故障。这种方案的主要不足为：

①在线路上需要增加电阻及相关的开关控制设备，增大了成本投入；

②消弧线圈并接电阻后，故障线路接地点的电流将大大增加，直接威胁着线路的安全稳定运行；

③消弧线圈并接电阻所采集到的故障特征量是系统稳定接地后的特征量，这种稳态量的判断一般要几秒钟才能完成，而对于小于几秒钟的瞬时故障通常无能为力。

2.当发生单相接地故障时，仅仅依靠零序电流幅值的变化来判断故障。这种方案的主要不足为：当发生单相接地故障时，故障线路和非故障线路的的零序电流都有不同程度的增加，且稳态时的零序电流方向均为由母线指向线路，所以功率方向元件无法识别故障线路，导致判断故障线路的准确率较低。

综上所述，第一种方案改变了系统运行参数，甚至影响到了系统的安全运行，且依然存在故障判别缺陷；第二种方案故障判别的准确率较低，但如果通过一定的手段使功率方向元件作用得以发挥将能完满的解决问题。根据对多次实际运行参数进行总结得出，消弧线圈的补偿过程一般在单相接地发生的5ms内完成，在这5ms内，故障线路的零序电流是从线路流向母线，与非故障线路零序电流的方向是不同的，5ms后，故障线路和非故障线路零序电流的方向变为同向，均由母线流向线路。因此，关键点在于单相接地故障发生5ms内线路的零序电流方向及幅值的采集和保护启动的采集。

发明内容

本发明的主要目的是克服现有技术的缺点，提供一种可准确判断故障线路，保证在本线路发生故障时柱上分界开关可准确跳闸隔离故障，确保同线路其他支路安全稳定运行的基于柱上分界开关智能终端的中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障判别方法。

本发明采用如下技术方案：

基于柱上分界开关智能终端的单相接地故障判别方法，包括以下步骤：

①通过数据采集模块实时采集中性点经消弧线圈接地系统的母线三相电压U_A、U_B、U_C及本线路零序电流I₀，并通过参数运算整定处理器合成计算零序电压U₀；

②通过内置模糊数据窗图形拟合算法的电子式滤波器对模拟量U₀及I₀的波形进行模糊拟合，可精确采样接地故障发生瞬间消弧线圈投入5ms内的故障特征量；

③U₀及I₀的拟合波形经A/D转换器转换成数字量后存入存储器；

④通过故障判定模块进行故障判定，将U0_的拟合基波作为保护启动的判据，当U₀波形发生畸变，保护启动并判断I₀，当I₀波形畸变，判为故障并记忆I₀，通过参数运算整定处理器计算I₀瞬时相位，当I₀相位变化超过逻辑定值后，即判为故障线路。

所述故障判定模块当I₀波形畸变，判为故障并锁存U₀及I₀波形，通过参数运算整定处理器计算I₀幅值和I₀与U₀瞬时相位及相位差。

所述I₀相位变化超过逻辑定值即I₀方向发生反向，从由线路指向母线转为由母线指向线路。

一种实现上述判别方法的柱上分界开关智能终端，包括有：

用于采集母线三相电压及本线路零序电流的数据采集模块；

用于对模拟量进行图形拟合的电子式滤波器，该电子式滤波器内置有模糊数据窗图形拟合算法；

A/D转换器；

存储器；

从存储器中调取数据并进行计算的参数运算整定处理器；

对线路进行故障判定的故障判定模块。

所述数据采集模块连接于电子式滤波器的信号输入端，所述电子式滤波器的信号输出端连接于A/D转换器的信号输入端，所述A/D转换器的信号输出端连接于存储器，所述参数运算整定处理器及故障判定模块连接于存储器。

所述故障判定模块藉由一开合控制模块与柱上分界开关的电动操作机构连接。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用模糊数学理论，通过内置模糊数据窗图形拟合算法的电子式滤波器对零序电压和零序电流的波形进行模糊拟合，可精确采样接地故障发生瞬间消弧线圈投入5ms内的故障特征量，该故障特征量可明显区分故障发生瞬间故障线路和非故障线路的零序电流相位，同时，故障判定模块以功率方向及消弧线圈投入参数变化为组合判据，使功率方向元件得以完好应用，准确判断故障线路，正确率达到100％，保证了在本线路发生故障时，柱上分界开关可准确跳闸隔离故障，确保同线路其他支路安全稳定运行。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的结构框图；

图2是本发明具体实施方式的故障判定模块的判别方法逻辑图。

图中：1.数据采集模块，2.电子式滤波器，3.A/D转换器，4.存储器，5.参数运算整定处理器，6.故障判定模块。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参照图1，一种用于判别中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障的柱上分界开关智能终端，包括有用于采集母线三相电压及本线路零序电流的数据采集模块1、用于对模拟量进行图形拟合的电子式滤波器2、A/D转换器3、存储器4、从存储器4中调取数据并进行计算的参数运算整定处理器5及对线路进行故障判定的故障判定模块6，该电子式滤波器2内置有模糊数据窗图形拟合算法。所述数据采集模块1连接于电子式滤波器2的信号输入端，所述电子式滤波器2的信号输出端连接于A/D转换器3的信号输入端，所述A/D转换器3的信号输出端连接于存储器4，所述参数运算整定处理器5及故障判定模块6连接于存储器4，所述故障判定模块6藉由一开合控制模块与柱上分界开关的电动操作机构连接。

参照图1和图2，基于柱上分界开关智能终端的单相接地故障判别方法，包括以下步骤：

①通过数据采集模块1实时采集中性点经消弧线圈接地系统的母线三相电压U_A、U_B、U_C及本线路零序电流I₀，并通过参数运算整定处理器5合成计算零序电压U₀；

②通过内置模糊数据窗图形拟合算法的电子式滤波器2对模拟量U₀及I₀的波形进行模糊拟合，可精确采样接地故障发生瞬间消弧线圈投入5ms内的故障特征量；

③U₀及I₀的拟合波形经A/D转换器3转换成数字量后存入存储器4；

④通过故障判定模块6进行故障判定，将U₀的拟合基波作为保护启动的判据，当U₀波形发生畸变，保护启动并判断I₀，当I₀波形畸变，判为故障并记忆I₀，通过参数运算整定处理器5计算I₀瞬时相位，当I₀相位变化超过逻辑定值后，即判为故障线路。

参照图2，所述故障判定模块6当I₀波形畸变，判为故障并锁存U₀及I₀波形，通过参数运算整定处理器5计算I₀幅值和I₀与U₀瞬时相位及相位差。所述I₀相位变化超过逻辑定值即I₀方向发生反向，从由线路指向母线转为由母线指向线路。

参照图1，本发明采用的模糊数据窗图形拟合算法原理：

数据采集模块1采样的正弦电压和电流分别为：

u＝U_msinωt

i＝I_msin(ωt-θ)

取n个采样时刻无限细分采样时间，t_n、t_n+1＝t_n+T、t_n+2＝t_n+2T……其中T为采样周期，则：

u_n＝U_msin(ωt_n)       (1)

u_n+1＝U_msin(ωt_n+ωT) (2)

u_n+2＝U_msin(ωt_n+2ωT)(3)

i_n＝I_msin(ωt_n-θ)    (4)

i_n+1＝I_msin(ωt_n-θ+ωT)     (5)

i_n+2＝I_msin(ωt_n-θ+2ωT)    (6)

由(1)～(6)得：

U_mI_mcosθ＝(u_ni_n+u_n+2i_n+2-2u_n+1i_n+1cos2ωT)/2sin²ωT    (7)

U_mI_msinθ＝(u_ni_n+1-u_n+1i_n)/sinωT                       (8)

理论上采样点是无限细分拟合的，若取ωT＝∏/6，(7)和(8)简化为：

U_mI_mcos θ＝2(u_ni_n+u_n+2i_n+2-u_n+1i_n+1)    (9)

U_mI_msin θ＝2(u_ni_n+1-u_n+1i_n)              (10)

(9)和(10)中，用电压替代电流或者用电流替代电压，且当θ＝0时得到：

*U_m ²＝2(u_n ²+u_n+2 ²-u_n+1 ²)        (11)

*I_m ²＝2(i_n ²+i_n+2 ²-i_n+1 ²)        (12)

根据模糊拟合原理，将时间点无限细分，拟合系数为A，因此得出：

U_m ²＝2(u_n ²+u_n+2 ²-u_n+1 ²)A

I_m ²＝2(i_n ²+i_n+2 ²-i_n+1 ²)A

这样就得到了电压和电流。

上述仅为本发明的一个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (1)

1.基于柱上分界开关智能终端的单相接地故障判别方法，其特征在于：包括以下步骤：

①通过数据采集模块实时采集中性点经消弧线圈接地系统的母线三相电压U_A、U_B、U_C及本线路零序电流I₀，并通过参数运算整定处理器合成计算零序电压U₀；

②通过内置模糊数据窗图形拟合算法的电子式滤波器对模拟量U₀及I₀的波形进行模糊拟合，可精确采样接地故障发生瞬间消弧线圈投入5ms内的故障特征量；

③U₀及I₀的拟合波形经A/D转换器转换成数字量后存入存储器；

④通过故障判定模块进行故障判定，将U₀的拟合基波作为保护启动的判据，当U₀波形发生畸变，保护启动并判断I₀，当I₀波形畸变，判为故障并记忆I₀，通过参数运算整定处理器计算I₀瞬时相位，当I₀相位变化超过逻辑定值后，即判为故障线路；

所述故障判定模块当I₀波形畸变，判为故障并锁存U₀及I₀波形，通过参数运算整定处理器计算I₀幅值和I₀与U₀瞬时相位及相位差；所述I₀相位变化超过逻辑定值即I₀方向发生反向，从由线路指向母线转为由母线指向线路；

所述模糊数据窗图形拟合算法如下：

数据采集模块采样的正弦电压和电流分别表示为:

u＝U_msinωt

i＝I_msin(ωt-θ)

取n个采样时刻无限细分采样时间，t_n、t_n+1＝t_n+T、t_n+2＝t_n+2T……其中T为采样周期，则：

u_n＝U_msin(ωt_n)    式⑴

u_n+1＝U_msin(ωt_n+ωT)    式⑵

u_n+2＝U_msin(ωt_n+2ωT)    式⑶

i_n＝I_msin(ωt_n-θ)    式⑷

i_n+1＝I_msin(ωt_n-θ+ωT)    式⑸

i_n+2＝I_msin(ωt_n-θ+2ωT)    式⑹

由式⑴～式⑹可得：

U_mI_mcosθ＝(u_ni_n+u_n+2i_n+2-2u_n+1i_n+1cos2ωT)/2sin²ωT    式⑺

U_mI_msinθ＝(u_ni_n+1-u_n+1i_n)/sinωT    式⑻

理论上采样点是无限细分拟合的，若取ωT＝Π/6,式⑺和式⑻则简化为：

U_mI_mcosθ＝2(u_ni_n+u_n+2i_n+2-u_n+1i_n+1)    式⑼

U_mI_msinθ＝2(u_ni_n+1-u_n+1i_n)    式⑽

式⑼和式⑽中,用电压替代电流或者用电流替代电压,且当θ＝0时得到:

*U_m ²＝2(u_n ²+u_n+2 ²-u_n+1 ²)    式⑾

*I_m ²＝2(i_n ²+i_n+2 ²-i_n+1 ²)    式⑿

由式⑾和式⑿，根据模糊拟合原理，将时间点无限细分，拟合系数为A,因此可得出：

U_m ²＝2(u_n ²+u_n+2 ²-u_n+1 ²)A

I_m ²＝2(i_n ²+i_n+2 ²-i_n+1 ²)A

这样就得到了电压和电流。